«ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КАВИТАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ХИМИКОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМАХ С НЕСУЩЕЙ ВЫСОКОВЯЗКОЙ ИЛИ НЕНЬЮТОНОВСКОЙ ЖИДКОЙ ФАЗОЙ ...»

Согласно оценкам, проведённым в первом разделе (см. выражение (1.2)), скорость сдвига превышает 100 000 с-1 даже в стадии расширения пузырька.

что свидетельствует о том, что начальная вязкость для неньютоновских жидких фаз, не оказывает значительного влияния, поскольку она не превышает 2 Па·с для псевдопластических жидких фаз, и 0,1 Па·с для дилатантных.

Диапазон показателей консистенции и нелинейности выбран на основании аппроксимации результатов экспериментальных исследований зависимости вязкости от скорости или напряжения сдвига эпоксидианового среда) [96].

Рисунок 2.5 – Зависимости граничных интенсивностей от показателя консистенции при различных показателях нелинейности для гетерогенных сред с псевдопластическими жидкими фазами Рисунок 2.6 – Зависимости граничных интенсивностей от показателя консистенции различных показателях нелинейности для дилатантных Полученные зависимости (рисунки 2.5–2.6) позволяют установить диапазон интенсивностей, в котором необходимо ультразвуковое воздействие для кавитационной обработки высоковязких и неньютоновских сред. Однако следует отметить, что при минимальной интенсивности кавитация только начинает зарождаться, а при максимальной – схлопывания пузырьков практически не происходит.

Таким образом, теоретический анализ динамики одиночного пузырька является недостаточным для выявления оптимальных режимов и условий воздействия, поскольку при граничных интенсивностях мощность ударных волн, создаваемых совокупностью пузырьков, оказывается также близкой к нулю, и, следовательно, эффективность обработки будет ничтожной.

Очевидно, что в данном диапазоне существует более узкий диапазон оптимальных интенсивностей, при которых эффективность кавитации будет максимальна.

Чтобы выявить этот диапазон интенсивностей, необходимо исследование формирования ансамбля кавитационных пузырьков, поскольку энергия кавитационного воздействия определяется суммарной мощностью ударных волн, образуемых каждым отдельно взятым кавитационным пузырьком. Эта суммарная мощность зависит от концентрации пузырьков, определяемой на среднем уровне детализации модели.

2.3 Анализ локального формирования и эволюции ансамбля кавитационных пузырьков для выявления их концентрации и объёмного содержания Исследование локального формирования и эволюции ансамбля пузырьков для определения их концентрации и объёмного содержания проводилось в малой области, схематично изображённой на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7 – Схематичное изображение локальной области жидкости с кавитационными пузырьками (I – интенсивность первичной УЗ волны, Вт/м2, I – малое изменение интенсивности, вызванное поглощением УЗ, Вт/м2, N – количество пузырьков, S – площадь сечения локальной области, м2, x – При возникновении ультразвуковой кавитации в жидкой среде концентрация пузырьков определяется процессами их дробления колебаниях, а также их начальной концентрацией. При процессах дробления одиночный пузырёк распадается на несколько пузырьков, которые играют роль новых зародышей (ядер) кавитации, и тем самым концентрация пузырьков с течением времени возрастает.

А процессы коалесценции происходят в результате сближения пузырьков, вызванного гидродинамическими силами Бьеркнеса [6], и приводят к стабилизации их концентрации по истечении достаточного большого промежутка времени (по сравнению с периодом УЗ колебаний).

Теоретическое рассмотрение процессов коалесценции и дробления пузырьков основывается на следующих допущениях:

1. Мгновенное образование сферических агломератов пузырьков после столкновения более мелких пузырьков (теория «быстрой» коалесценции).

Данное допущение предполагает, что время постепенного приобретения образовавшимся крупным пузырьком сферической формы с момента начального контакта более мелких пузырьков существенно мало по сравнению с временем пробега пузырьков между столкновениями.

2. Парные столкновения пузырьков. Вероятность одновременно столкновения 3-х и более пузырьков пренебрежимо мала по сравнению с вероятностью соударения 2-х пузырьков.

Пространственная однородность процессов коалесценции и дробления пузырьков. Принятие данного допущения обусловлено тем, что на среднем уровне детализации модели рассматривается ансамбль кавитационных пузырьков в локальной области (рисунок 2.7), размеры которой малы по сравнению с длиной УЗ волны в жидкости. Поэтому в данной области распределение ультразвукового давления (интенсивности УЗ колебаний), приводящего к образованию кавитации, является практически однородным. Однако значение интенсивности УЗ колебаний в рассматриваемой области зависит от положения этой области относительно УЗ излучателя и определяется характером распространения УЗ колебаний в кавитирующей жидкости. Зависимость интенсивности УЗ колебаний от положения рассматриваемой области в объёме обрабатываемой жидкости будет определяться на основании верхнего уровня детализации модели.

4. Количество кавитационных зародышей, образуемых при дроблении отдельного пузырька в конце стадии схлопывания, зависит исключительно от максимального радиуса пузырька, достигнутого в стадии расширения, и не зависит от реологических свойств жидкости. Это объясняется, тем, что, как было показано в предыдущем подразделе 2.2, реологические свойства жидкостей оказывают слабое влияние на фазу схлопывания пузырька Согласно принятым допущениям, для концентрации кавитационных пузырьков справедливо кинетическое уравнение (2.18), получаемое из уравнения Смолуховского [97], для процессов коалесценции и дробления дисперсных частиц (капель жидкости, пузырьков газа или твёрдых частиц):

где n – счётная концентрация кавитационых пузырьков в зависимости от времени t, м-3, i – среднее число пульсаций кавитационного пузырька до его расщепления, kB – константа скорости коалесценции пузырьков, м3/с, T0 – период ультразвуковых колебаний, с, j – среднее число зародышей, образуемых при дроблении отдельного пузырька.

аналитическое выражение:

где n0 – начальная заранее неизвестная концентрация кавитационных пузырьков, м-3, n – стационарная концентрация кавитационных пузырьков, м-3, j – количество зародышей, образуемых при дроблении отдельного пузырька, T0 – период первичного УЗ воздействия, с, i – целое число периодов УЗ колебаний, прошедших с момента начального расширения пузырька до момента схлопывания, kB – постоянная коалесценции пузырьков, м3/с.

Согласно выражению (2.19) концентрация пузырьков n через время, равное десяткам периодам колебаний достигает установившегося значения и становится равной величине n, которая определяется на основании выражения (2.20):

Установившаяся концентрация n зависит от постоянных коалесценции (kB) и дробления (j) пузырьков.

Постоянные дробления и коалесценции определяются на основании функциональной зависимости радиуса кавитационного пузырька от времени R(t), выявленной на нижнем уровне детализации модели.

Для определение постоянной коалесценции используется следующее выражение [82]:

где Seff – эффективное сечение столкновений пузырьков (оно определяется происходит за время, много меньшее периода колебаний), м2; – средняя скорость сближения кавитационных пузырьков, м/с.

Для определения Seff используется выражение, полученное в работе М.А. Маргулиса [82]:

где RMAX – максимальный радиус кавитационного пузырька в стадии его расширения, м.

Для определения скорости сближения кавитационных пузырьков используется модель взаимодействия пузырьков, представленная в работах [82, 84]. Модель основана на 2-м законе И.Ньютона для отдельного кавитационного пузырька с учётом сил Бьеркнеса, действующих со стороны соседних пузырьков и обусловленных радиальными колебаниями последних.

Согласно данной модели положения центров каждого из кавитационных пузырьков, входящих в ансамбль, описываются следующим уравнением [82]:

где i – порядковый номер пузырька в области жидкой фазы; Ri – мгновенный радиус i-го пузырька, м; c – локальная скорость звука в жидкой фазы, м/с;

p – мгновенное значение давления жидкой фазы в отсутствие кавитационных пузырьков, м/с; R0i – радиус зародыша i-го пузырька, м; G – равновесная плотность газа, находящегося внутри пузырька, кг/м3; t – время, с;

– вязкость жидкой фазы, Па·с; ri – вектор координат центра i-го пузырька, м; dij = rj-ri – вектор линии центров пары i-го и j-го пузырьков, м.

Поскольку согласно допущению 2 вероятность столкновения трёх и более пузырьков пренебрежимо мала, то величина определяется как скорость сближения 2-х отдельных пузырьков. Поэтому из системы уравнений (2.21) в рамках диссертационной работы было получено дифференциальное уравнение (2.22) для вектора линии центров двух Численное решение уравнения (2.22) позволило выявить зависимость вектора линии центров двух отдельных пузырьков от времени и вычислить среднюю скорость их сближения согласно следующему выражению:

Для определения постоянной дробления j используется допущение 4, согласно которому количество зародышей, образуемых при дроблении одиночного пузырька, зависит исключительно от его максимального радиуса, определяемого на основании уравнений (2.15-2.17), полученных в рамках нижнего уровня рассмотрения модели:

Принятое допущение 4 даёт возможность косвенно определять величину j на основании известных экспериментальных данных по зависимостям концентрации и объёмного содержания пузырьков от интенсивности воздействия (величины квадрата приложенного напряжения к фокусирующему концентратору) (рисунок 2.8) для водной среды [6].

Рисунок 2.8 – Зависимости объёмного содержания (а) и концентрации (б) пузырьков на фокусирующем концентраторе от квадрата приложенного Искомая зависимость средне-объёмного значения j от максимального радиуса пузырька приведена на рисунке 2.9.

Рисунок 2.9 – Зависимость средне-объёмного числа зародышей, образующихся при дроблении отдельно взятого пузырька, от его радиуса Таким образом, средний уровень детализации модели позволяет описать локальное формирование ансамбля кавитационных пузырьков в области, малой по сравнению с длиной УЗ волны, и определить стационарную концентрацию n и мгновенное объёмное содержание кавитационных пузырьков (t) согласно следующей системе соотношений, полученных в ходе выполнения диссертационной работы:

приведённой на рисунке 2.10;

Далее на основании соотношений (2.23-2.27) с использованием функциональной зависимости радиуса отдельного кавитационного пузырька от времени R(t), выявленной на нижнем уровне модели, были рассчитаны зависимости концентрации и среднего объемного содержания кавитационных пузырьков = R 3 (t )n от интенсивности воздействия для жидкостей с различными реологическими свойствами (рисунки 2.10-2.12).

Рисунок 2.10 – Зависимости концентрации (а) и объёмного содержания (б) кавитационных пузырьков от вязкости для линейно-вязкой среды а) при различных показателях б) при различных показателях консистенции K, Па·сN+1 (показатель нелинейности N (показатель нелинейности N = 0,1) в) при различных показателях г) при различных показателях консистенции K, Па·сN+1 (показатель нелинейности N (показатель нелинейности N = 0,1) Рисунок 2.11 – Зависимости концентрации (а, б) и объёмного содержания (в, г) пузырьков от интенсивности воздействия для дилатантных сред а) при различных показателях б) при различных показателях консистенции K, ПасN+1 (показатель нелинейности N (показатель нелинейности N = -0,1) в) при различных показателях г) при различных показателях консистенции K, ПасN+1, (показатель нелинейности N (показатель нелинейности N = -0,1) Рисунок 2.12 – Зависимости концентрации (а, б) и объёмного содержания (в,г) пузырьков от интенсивности воздействия для псевдопластических сред Как следует из представленных зависимостей (рисунки 2.10а,б; 2.11а,б;

2.12а,б), концентрация пузырьков с ростом интенсивности воздействия в начале резко увеличивается, что обуславливается тем, что коэффициент коалесценции пузырьков является малым по сравнению с кратностью дробления пузырьков (величина j в выражении 2.23), из-за малого среднего радиуса пузырьков. При дальнейшем увеличении интенсивности воздействия происходит возрастание средних радиусов пузырьков, а также скоростей их расширения и схлопывания. А поскольку сила Бьеркнеса, приводящая к сближению пузырьков, пропорциональна их радиусам и скоростям изменения радиусов, это приводит к тому, что процессы сближения и дальнейшей коалесценции пузырьков вносят больший по абсолютной величине вклад в изменение концентрации пузырьков, т.е. концентрация начинает уменьшаться. Кроме того, уменьшение концентрации объясняется тем, что при больших концентрациях расстояния между центрами пузырьков значительно меньшие, это приводит к дополнительному возрастанию сил Бьеркнеса.

Смещение интенсивности, при которой достигается максимум концентрации, при различных реологических свойствах жидкой фазы объясняется тем, что величина концентрации главным образом зависит от максимального радиуса кавитационного пузырька, а вязкие напряжения в значительной степени препятствуют расширению последнего [98-99].

Также установлено, что максимальное значение концентрации слабо зависит от реологических свойств жидкой фазы. Это может быть объяснено тем, что процесс сближения центров пузырьков в наибольшей степени происходит в стадии их схлопывания (объединение или коалесценция происходит в стадии расширения), в течение которой скорости движения стенок пузырька оказываются близкими к скорости звука в жидкости. При таких скоростях вязкие напряжения, как было отмечено ранее, оказывают слабое влияние на протекание процесса схлопывания.

В свою очередь среднее объёмное содержания пузырьков, даже пройдя максимум концентрации, с ростом интенсивности продолжает монотонно возрастать из-за увеличения радиуса кавитационных пузырьков. Однако затем, после прохождения максимального значения 0,08…0,15, среднее объёмное содержание пузырьков начинает медленно спадать. Это объясняется тем, что при больших интенсивностях форма колебаний пузырьков начинает приближаться к синусоидальной, количество «ударных»

захлопываний уменьшается и соотвественно снижается кратность дробления пузырька j.

Полученные результаты анализа одиночного пузырька и формирования ансабля пузырьков, используются в дальнейшем для определения макроскопических характеристик кавитирующей жидкости (вязкость,, волновое сопротивление, коэффициент поглощения и т. д.), которые влияют на распространение ультразвуковых колебаний [98-99] и в конечном итоге позволят выявить интенсивности, требуемые для достижения максимального энергетического воздействия кавитации (развитой кавитации), и найти распределение кавитационных зон.

2.4 Анализ распространения УЗ колебаний в кавитирующей среде с целью определения эффективных акустических свойств кавитационной области Для выявления распределения кавитационных зон необходимо в первую очередь определить эффективные акустические характеристики кавитирующей среды, среди которых наибольший интерес, в частности, представляет коэффициент поглощения, который влияет на распределение ультразвукового давления в гетерогенной среде с жидкой фазой и, как было отмечено ранее, определяет эффективность кавитационного воздействия.

Для определения акустических характеристик кавитирующей среды распространение акустического поля в жидкости, содержащей кавитационные пузырьки, заполненные паром или газом:

где t – время, с, 0 – равновесная плотность жидкой фазы, кг/м3, p – мгновенное значение давления жидкости, Па, с0 – скорость звука в жидкой фазе, м/с, – мгновенное объёмное содержание пузырьков, выявленное на основании среднего уровня детализации модели (см. выражение (2.25)).

Поскольку колебания кавитационных пузырьков носят нелинейный характер и сопровождаются высшими гармониками по сравнению с основной (частота колебаний ультразвукового преобразователя, погружённого в жидкую среду), звуковое давление и мгновенное объёмное содержание пузырьков удобно представить в виде рядов Фурье. Разложения в ряды Фурье представимы следующими выражениями (в комплексном виде):

где – круговая частота колебаний акустического излучателя в жидкой среде, с–1, r – радиус вектор точки жидкости, м.

После подстановки данных разложений в волновое уравнение (2.28) оно преобразуется уравнения для каждой из гармоник (2.31):

При пренебрежении высшими гармониками, волновое уравнение для 1-й гармоники (колебания, создаваемые первичным УЗ воздействием) выглядит следующим образом:

Данное уравнение (2.32) сводится к уравнению Гельмгольца, т.е.

представимо в следующем виде (2.33):

K* –эффективный коэффициент поглощения в кавитирующей среде, м-1.

При этом эффективный (эквивалентный) коэффициент поглощения в кавитирующей среде определяется на основании следующего выражения, полученного из уравнений (2.32, 2.33):

комплексной амплитуды звукового давления в кавитирующей среде и комплексной амплитуды объёмного содержания кавитационных пузырьков.

Поскольку наиболее удобной величиной для выбора энергетических характеристик УЗ оборудования является интенсивность УЗ колебаний, то соотношение (2.34) было преобразовано следующим образом (2.35), чтобы выразить коэффициент поглощения через интенсивность, однозначно связанную с комплексной амплитудой звукового давления, где I – интенсивность УЗ колебаний, Вт/м2, –плотность кавитирующей пузырьков определяется на основании ранее полученных результатов анализа нижнего и среднего уровня детализации модели. Она вычисляется при помощи прямого преобразования Фурье:

где R(t) – функциональная зависимость радиуса кавитационного пузырька (м) от времени, выявленная на основании анализа нижнего уровня детализации модели, n – стационарная концентрация кавитационных пузырьков (м-3), выявленная на основании анализа среднего уровня детализации модели (см.

выражение (2.23)).

Далее с использованием (2.35, 2.36) было получено окончательное выражение для коэффициента поглощения в зависимости от режимов УЗ воздействия и данных, ранее полученных на основании анализа нижнего и среднего уровня детализации модели:

коэффициент поглощения кавитирующей среды, который главным образом обусловлен потерями энергии при схлопывании кавитационных пузырьков.

эффективности кавитационного воздействия.

Это утверждение справедливо, поскольку физический механизм поглощения ультразвука в кавитирующей жидкости заключается в том, что при падении звуковой волны на одиночный пузырёк последний, совершая вынужденные колебания, частично поглощает звуковую энергию за счёт (рассеивает) падающую на него волну. Если же в среде имеется много пузырьков, то каждый из них находится в поле как падающей, так и многократного рассеяния.

В режиме развитой кавитации поле рассеяния имеет широкий спектр, однако на вынужденные колебания отдельного пузырька основное влияние оказывает первая гармоника поля рассеяния от других пузырьков, частота которой совпадает с частотой первичной ультразвуковой волны. При этом комплексная амплитуда первой гармоники поля, рассеиваемого пузырьками, определяется стадией расширения, время протекания которой сопоставимо с периодом первичной ультразвуковой волны, а импульс давления ударной волны имеет длительность, много меньшую периода первичной УЗ волны, и, следовательно, обладает спектром в области высоких частот (до 20 МГц) [6, 101, 102].

зависимостью радиуса пузырьков от времени в стадии их расширения. С точки зрения закона сохранения энергии коэффициент поглощения – это затраты энергии на совершение работы по расширению пузырьков [101, 102].

Далее эта энергия мгновенно высвобождается в энергию ударной волны, которая переходит в нагрев жидкости, разрушение механических и химических связей, увеличение поверхности раздела и т.д., тем самым осуществляя интенсификацию технологических процессов.

обрабатываемой среды объёмом Sx (см. рисунок 2.7).

Из закона сохранения энергии следует, что удельная мощность ударных волн определяется согласно следующему выражению:

где I – интенсивность первичной УЗ волны, Вт/м2, I – изменение интенсивности УЗ в результате поглощения, Вт/м2, K – коэффициент поглощения, м-1.

Согласно представленному выражению (2.38), удельная энергия ударных волн, создаваемых в единицу времени, равна произведению коэффициента поглощения на интенсивность первичной УЗ волны. Таким образом, коэффициент поглощения фактически пропорционален КПД ультразвуковой кавитации, т.е. отношению полезной энергии, создаваемой в виде ударных волн и необходимой для реализации физико-химических процессов, к энергии вводимых УЗ колебаний.

Это служит обоснованием того факта, что значение коэффициента воздействия [83, 104].

На рисунке 2.13 приведены зависимости коэффициента поглощения в кавитирующих жидкостях от интенсивности воздействия для различных по реологическим свойствам гетерогенных сред с жидкой фазой.

Рисунок 2.13 – Зависимости коэффициента поглощения в кавитирующих жидкостях от интенсивности воздействия для линейно-вязких сред а) при различных показателях б) при различных показателях консистенции K, ПасN+1 (показатель нелинейности N (показатель Рисунок 2.14 – Зависимости коэффициента поглощения в кавитирующих жидкостях от интенсивности воздействия для дилатантных сред а) при различных показателях б) при различных показателях консистенции K, ПасN+1 (показатель нелинейности N (показатель нелинейности N = -0,1) Рисунок 2.15 – Зависимости коэффициента поглощения в кавитирующих жидкостях от интенсивности воздействия для псевдопластических сред Полученные зависимости позволяют оценить распределение звукового давления и размеры зон развитой кавитации в технологических объёмах.

Так, согласно приведённым зависимостям, для жидкостей с вязкостью 400 мПа·с при интенсивности вводимых УЗК 20 Вт/см2 значение коэффициента поглощения составляет 0,43 дБ/см вблизи поверхности.

Численные оценки показывают, что уже на расстоянии 5 см от излучателя интенсивность будет значительно ниже и составит 14 Вт/см2, что означает снижение эффективности кавитации более чем на 30 % и подтверждает ограниченность кавитационной области.

Это подтверждает ограниченность формируемой кавитационной зоны в неньютоновских жидкостях, установленную на основании анализа известных научно-технических результатов в направлении диссертационного исследования, представленного в первом разделе.

Поскольку зависимость коэффициента поглощения от интенсивности воздействия имеет экстремальный характер и положение максимума изменяется в широких пределах, то возникает необходимость в определении оптимальной интенсивности УЗ воздействия, в зависимости от реологических свойств обрабатываемых сред.

Первоначально были выявлены оптимальные интенсивности для линейно-вязких сред в зависимости от их вязкости (рисунок 2.16).

Интенсивность, Вт/см Рисунок 2.16 – Зависимости минимальной, максимальной и оптимальной интенсивностей воздействия для линейно-вязких сред от вязкости интенсивность лежит внутри интервала, определённого ранее при анализе наблюдается единая закономерность – интенсивность воздействия, при которой энергетическая эффективность кавитации максимальна, прямо пропорционально увеличивается с ростом вязкости.

интенсивностью более 25 Вт/см2. Однако для гетерогенных сред с вязкостью жидкой фазы 1000 мПас требуются интенсивности воздействия свыше 70 Вт/см2, при которых, как было отмечено ранее, происходит разрушение материала современных УЗ излучателей.

интенсивности от параметров характеризующих их реологические свойства, представляет собой некоторый диапазон. Это обусловлено изменением их реологических свойств в процессе обработки (рисунки 2.17, 2.18) за счёт релаксации вязкости [61, 105]. Релаксация вязкости заключается в том, что между моментом схлопывания пузырька и началом расширения в следующем периоде колебаний скорость сдвига очень мала, поскольку обусловлена первичной УЗ волной. Однако остаточные изменения вязкости в результате предыдущего цикла расширения и схлопывания сохраняются. В частности, для псевдопластических сред средняя вязкость при обработке снижается (рисунок 2.17).

Рисунок 2.17 – Зависимость вязкости обрабатываемой жидкости от интенсивности УЗ воздействия (а) для установившегося режима и времени (б) при интенсивности 42 Вт/см2 для псевдопластической среды (модельный показатель нелинейности N = –0,1, показатель консистенции Как видно из рисунка 2.16, в результате уменьшения вязкости жидкости может произойти вырождение пузырьков в долгоживущие, поэтому интенсивность УЗ воздействия, необходимо, соответственно снижать через 15…20 с с момента начала воздействия.

А для дилатантных сред, вязкость с течением времени УЗ воздействия, наоборот увеличивается (рисунок 2.18).

Рисунок 2.18 – Зависимость вязкости обрабатываемой жидкости от интенсивности УЗ воздействия (а) и времени (б) для дилатантной жидкости (модельный показатель нелинейности N = 0,1, показатель консистенции Для дилатантных сред зависимость вязкости от интенсивности носит экстремальный характер, поскольку при больших интенсивностях пузырьки совершают малые колебания в течение длительного периода времени, более чем 3-кратно превышающего период колебаний первичного ультразвукового поля.

При этом средняя вязкость дилатантных сред достигает стационарного значения через 15…20 с после начала УЗ воздействия, как и для псевдопластических.

На следующем рисунке 2.19 приведены установленные зависимости диапазона оптимальных интенсивностей от реологических свойств псевдопластических сред, а на рисунке 2.20 – для дилатантных.

Рисунок 2.19 – Зависимости граничных интенсивностей от показателя консистенции при различных показателях нелинейности для псевдопластических сред (начальная вязкость 1 Па·с) Рисунок 2.20– Зависимости граничных интенсивностей от показателя консистенции при различных показателях нелинейности для дилатантных Согласно рисункам 2.19-2.20 интенсивности воздействия, при которых возникает развитая кавитация находятся в области с перекрёстной штриховкой. Данной области соответствует диапазон интенсивностей, в котором оптимальная интенсивность изменяется с течением времени за счёт релаксации вязкости.

Согласно представленным зависимостям, границы данного диапазона не превышают 40 Вт/см2 для большинства жидкостей, и только для дилатантных жидкостей с показателем нелинейности 0,15 и более может 100 Вт/см2. При этом ширина диапазона изменения значения достигать оптимальной интенсивности (за счет изменения вязкости жидкости в процессе обработки) достигает 20 Вт/см2.

необходимости непрерывного контроля реологических свойств обрабатываемых жидкостей в процессе обработки и автоматического дозирования энергии ультразвукового воздействия.

В таблице 2.1 приведены значения оптимальных интенсивностей воздействия для различных сред, используемых на практике. Указанные в таблице значения получены с использованием зависимостей, приведенных на рисунках 2.16, 2.19, 2.20.

Таблица 2.1 – Значения оптимальных интенсивностей воздействия для гетерогенных сред с жидкой фазой, используемых на практике Наименование жидкости олигоэфирциклокарбонат на основе окиси пропилена совая концентрация 20%) Представленные результаты могут быть в непосредственном виде использованы для определения интенсивности УЗ колебаний, необходимой для обеспечения наибольшей совокупной мощности кавитационных ударных волн в объёме, т.е. для определения оптимальной интенсивности. Как было отмечено ранее, для неньютоновских сред, начальная вязкость на оптимальные режимы воздействия существенного влияния не оказывает.

Поэтому если обрабатываемая среда линейно-вязкая, то необходимо знать вязкость этой среды, однако если среда дилатантная или псевдопластическая, то достаточно знать её показатели консистенции и нелинейности.

возникновения и эволюции кавитационной области, рассматривающая кавитационную область как единое целое, но с учётом эффектов и явлений, происходящих внутри самой области. Среди учитываемых эффектов следует выделить: коалесценцию и дробление пузырьков при их взаимодействии между собой, влияние радиальных колебаний пузырька на изменение вязкости среды, которая зависит от скорости сдвига для неньютоновских сред.

В разработанной модели выделены три уровня детализации, начиная с нижнего уровня, рассматривающего динамику отдельного кавитационного пузырька, и заканчивая верхним, рассматривающего формирование целой кавитационной области в технологических объёмах с учётом влияния кавитации на распространение УЗ колебаний в жидкой среде. При этом средний уровень (между нижним и верхним) рассматривает формирование ансамбля кавитационных пузырьков в локальной области, размеры которой макроскопические характеристики кавитирующей среды (счётная концентрация и объёмное содержание пузырьков, коэффициент поглощения УЗ волн и т. д.).

Анализ нижнего и среднего уровня детализации разработанной модели позволил установить следующее:

– для наиболее распространённых на практике сред (с начальной вязкостью не более 1 Па·с) пороговая интенсивность, требуемая для возникновения схлопывания пузырьков не превышает 10 Вт/см2, однако для отдельных сред с вязкостью свыше 4 Па·с пороговая интенсивность может превышать 100 Вт/см2;

– для каждой гетерогенной среды с жидкой фазой существуют максимально допустимые интенсивности УЗ воздействия, при которых кавитационные пузырьки перестают схлопываться и начинают вырождаться в долгоживущие;

– существуют оптимальные интенсивности УЗ воздействия, при которых удельная мощность ударных волн (при схлопывании кавитационных пузырьков) максимальна; например, для гетерогенных сред с вязкостью жидкой фазы до 0,4 Пас оптимальные интенсивности, составляют от 1,6 до 20 Вт/см2, а для жидкостей с вязкостью свыше 0,4 Пас – от 20 до 80 Вт/см2. При этом для нелинейно-вязких сред оптимальные интенсивности воздействия изменяются в пределах некоторого диапазона шириной до 20 Вт/см2 с течением времени обработки за счёт релаксации вязкости.

Полученные результаты используются в дальнейшем для анализа формирования кавитационных зон в технологических камерах и выявления оптимальных условий воздействия, представленного в следующем разделе диссертационной работы.

3 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА

ФОРМИРОВАНИЯ КАВИТАЦИОННЫХ ЗОН В ГЕТЕРОГЕННЫХ

СРЕДАХ С ВЫСОКОВЯЗКОЙ И НЕНЬЮТОНОВСКОЙ ЖИДКОЙ

ФАЗОЙ ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ

УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ В РАЗЛИЧНЫХ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЁМАХ

Полученные в предыдущем разделе результаты позволяют установить оптимальные режимы ультразвукового воздействия для формирования кавитационной области в различных по свойствам гетерогенных средах с жидкой фазой и определить требования по мощности УЗ технологического оборудования для воздействия на неньютоновские и высоковязкие среды.

Однако, выявление режимов ультразвукового воздействия, при которых возникает кавитация, не позволяет решить задачу промышленного применения УЗ аппаратов для обработки высоковязких и неньютоновских жидких сред, поскольку формируемая при этом кавитационная область имеет малый объём и сосредоточена в непосредственной близости от излучателя [74, 106].

Поэтому необходим поиск условий УЗ воздействия на объём обрабатываемой среды, позволяющих формировать кавитационную область максимально возможного размера за счёт обеспечения резонансного режима распространения УЗ колебаний.

Поскольку полученные во втором разделе результаты позволяют проанализировать всего лишь локальное формирование кавитационных пузырьков в области с характерными размерами, много меньшими длины УЗ волны, необходимо масштабирование феноменологической модели формирования кавитационной области на весь объём обрабатываемой кавитационной области и определить размеры и форму технологического объема (т.е. условия воздействия) для заданной формы УЗ излучателя, размеров.

Выявление оптимальных условий воздействия осуществляется в формирования кавитационной области, подробно рассмотренного далее.

3.1 Определение размеров формируемой кавитационной области Верхний уровень детализации модели формирования кавитационной области основывается на уравнении для интенсивности УЗ колебаний в кавитирующей среде, полученного на основании волнового уравнения для звукового давления, представленного в разделе 2 (2.32):

где I – интенсивность УЗ колебаний (действительная величина), Вт/м3, – фазовый сдвиг колебаний звукового давления в среде, – круговая частота первичного УЗ поля, с-1, c0 – скорость звука в жидкой фазе, м/с, 0 – равновесная плотность жидкой фазы, кг/м3, – плотность кавитирующей жидкости, кг/м3, c – скорость звука в кавитирующей жидкой фазы, м/с, содержания кавитационных пузырьков ( 2cI (r )e i (r ), t ) как функции от времени t при заданной интенсивности УЗ колебаний I(r), x – радиус-вектор точки жидкой фазы, м.

Гельмгольца для сплошной среды заключается в том, что учитывается влияние кавитационных пузырьков на коэффициент поглощения УЗ волны и 2 cI (r )e i (r ) изменения объёмного содержания кавитационных пузырьков относительно его среднего значения.

Для выявления распределения интенсивности УЗ колебаний и кавитационных зон данное волновое уравнение решается с учётом граничных условий на излучающей поверхности (3.2):

где n – вектор внешней нормали к области обрабатываемой среды, An(x) – амплитуда нормальных колебаний излучающей поверхности вблизи точки в области жидкости с координатой x, м.

и на отражающей поверхности (стенке технологического объёма) (3.3) Поскольку объёмное содержание пузырьков в определённой точке области напрямую связано с интенсивностью УЗ колебаний в жидкости, то найденное распределение интенсивностей позволяет однозначно установить распределение кавитационных зон, соответствующих следующим режимам:

в режиме отсутствия кавитации схлопывания пузырьков не происходит и интенсивность УЗ колебаний меньше определённого значения I1, где I1 – минимальная интенсивность, при которой начинает происходить схлопывание пузырьков, различная для каждой рассматриваемой гетерогенной среды с жидкой фазой;

в режиме зарождающейся кавитации интенсивность УЗ колебаний лежит в диапазоне I1 I I2, I2 – пороговая интенсивность для рассматриваемой жидкости, при которой возникает режим развитой кавитации; в этом режиме схлопывание пузырьков происходит с малыми амплитудами давления ударной волны (не более 20·105 Па) при малом максимальном радиусе (RMAX < 80…120 мкм);

(20·105…80·105 Па); при этом физико-химические процессы в жидких средах, интенсифицируемые под воздействием УЗ колебаний, протекают наиболее эффективно [108–111]; в качестве критерия режима развитой кавитации в диссертационной работе принято наличие разрушения алюминиевой фольги толщиной 9 мкм под воздействием кавитационных ударных волн [111]; для достижения режима развитой кавитации интенсивность УЗ колебаний I должна лежать в диапазоне I2 I I3, и максимальный радиус пузырька, достигаемый в стадии расширения при развитой кавитации, как правило, лежит в диапазоне 120…180 мкм;

в режиме вырождающейся кавитации мощность ударных волн, образуемых при схлопывании пузырьков, существенно снижена по сравнению с режимом развитой кавитации, и пузырьки, как правило, совершают радиальные колебания без схлопывания в течение 2-х периодов и более с момента начального расширения, для достижения режима вырождающейся кавитации интенсивность УЗ колебаний должна лежать в диапазоне I3 I I4.

в режиме вырожденной кавитации схлопывание пузырьков отсутствует, и они совершают малые радиальные колебания в окрестности достаточно большого радиуса (не менее 300 мкм) без схлопывания в течение нескольких периодов с момента начального расширения, этот режим реализуется при интенсивности I, превышающей I4.

Значения I2 и I3, в диапазоне которых (от I2 до I3) происходит разрушение алюминиевой фольги и реализуется режим развитой кавитации, определяются с использованием результатов исследований, приведённых в работе [100].

Значения интенсивностей I1 и I4, в диапазоне которых (I1 I I4) возникает схлопывание пузырьков, определяются на основании анализа среднего уровня детализации модели, описанного в разделе 2, из зависимостей, приведенных на рисунках 2.15, 2.18, 2.19.

Задача повышения эффективности ультразвуковой кавитационной обработки жидких сред сводится к максимизации суммарного объёма зон развитой кавитации, в котором I2 I I3, путём установления оптимальных геометрических параметров технологического объёма, т.е.

определяемая как (3.5) Первоначально анализ представленной модели проводится для случая использования рабочих инструментов поршневого типа (рисунок 3.1) [8, 98, 99] диаметром 40 мм.

Рисунок 3.1 – Кавитационная область при воздействии с помощью Моделирование распространения УЗ колебаний и формирования кавитационных зон осуществлялось в среде COMSOL MultiPhysics, в которую были встроены программные фрагменты на языке JavaScript для расчёта акустических свойств обрабатываемой среды в зависимости от интенсивности УЗ колебаний, с заданной геометрией рабочего инструмента (излучателя) ультразвуковой колебательной системы (УЗКС).

кавитационной области максимального объема при использовании рабочих инструментов поршневого типа При выявлении оптимальных условий формирования кавитационной области с использованием поршневого рабочего инструмента рассматриваются два случая:

объём обрабатываемой среды неограничен, и ультразвуковые колебания распространяются на бесконечное расстояние;

обрабатываемая среда ограничивается отражающей стенкой, которая приводит к отражению первичной УЗ волны и взаимному усилению падающей и отраженных волн [107].

Далее приведены распределения кавитационных зон в неограниченных технологических объёмах при излучении ультразвуковых колебаний с помощью поршневого рабочего инструмента в гетерогенные среды с жидкими фазами различных вязкостей:

– вода (вязкость 1 мПас) (рисунок 3.2);

– масло (вязкость 100 мПас) (рисунок 3.3);

– эпоксидная смола ЭД-2 (начальная вязкость 1000 мПас, показатель консистенции K = 1 ПасN+1, показатель нелинейности N = -0,1) (рисунок 3.5).

отсутствия кавитации зарождающейся кавитации кавитации кавитации Рисунок 3.2 – Распределения кавитационных зон в гетерогенной среде с жидкой фазой вязкостью 1 мПас (вода) для различных интенсивностей УЗ (r – расстояние от акустической оси, z – протяжённость кавитационной зоны) Как следует из представленного рисунка 3.2, с ростом интенсивности воздействия происходит увеличение протяжённости зоны развитой кавитации вдоль оси симметрии излучателя. При этом, начиная с интенсивности около 4 Вт/см2 (рисунок 3.2в) происходит образование зоны вырожденной кавитации, которая пока ещё имеет малую протяжённость.

Дальнейшее увеличение интенсивности приводит и к увеличению зоны вырожденной кавитации, однако увеличение зоны развитой кавитации технологического оборудования при воздействии с интенсивностями, превышающими оптимальные, которые были установлены в разделе работы.

Согласно представленному рисунку 3.2 даже для воды зона развитой кавитации ограничена протяжённостью не более 7 см. Это свидетельствует о том, что единовременно обрабатываемый объём воды не может превышать 0,15 л при использовании поршневого рабочего инструмента (при допущении отсутствия перемешивания обрабатываемой среды).

Указанный факт обусловлен тем, что ввиду образования зоны вырожденной кавитации волновое сопротивление жидкости вблизи излучателя значительно уменьшается, поэтому рост усреднённого звукового давления в жидкости замедляется при увеличении амплитуды колебаний рабочего инструмента.

Как показано на следующих рисунках 3.3-3.5 для жидкостей с более высокими значениями вязкости протяжённость кавитационной зоны уменьшается в 1,5-2 раза при увеличении интенсивностей воздействия (и, следовательно, потребляемой мощности УЗ технологического аппарата) в несколько раз.

Рисунок 3.3 – Распределения кавитационных зон в жидкости с вязкостью 100 мПас для различных интенсивностей УЗ колебаний (r – расстояние от акустической оси, z – протяжённость кавитационной зоны) Согласно представленному рисунку 3.3 протяжённость зоны развитой кавитации для масла меньше, чем для воды (маловязкой жидкости). Из рисунков 3.3д,е следует, что даже многократном повышении интенсивности УЗ воздействия до 40 Вт/см по сравнению с оптимальной (6,1 Вт/см2), установленной во втором разделе, протяжённость зоны развитой кавитации в жидкости с вязкостью 100 мПас не превышает 5,5 см. Более того, из рисунка 3.3е следует, что при интенсивности воздействия, начиная с Вт/см2 наблюдается уменьшение зоны развитой кавитации в объёме.

Указанный фактор подтверждает исчерпанность подхода к увеличению объёма формируемой зоны развитой кавитации, заключающегося в повышении интенсивности первичного УЗ воздействия.

На рисунке 3.4 показана зависимость объёма кавитационных зон (развитой и вырожденной кавитации) от интенсивности первичного УЗ воздействия (излучатель диаметром 40 мм) для гетерогенной среды с жидкой фазой начальной вязкости 100 мПас.

Рисунок 3.4 – Зависимость объёма кавитационной зоны от интенсивности Полученные зависимости (рисунок 3.4) подтверждают ограниченность кавитационной зоны в окрестности излучателя и позволяют установить предельное значение объёма зоны развитой кавитации, которое для жидкости с вязкостью 100 мПа·с не превышает 50 мл.

На рисунке 3.5 приведены распределения кавитационных зон для эпоксидной смолы ЭД–2, имеющей начальную вязкость 1000 мПа·с.

Рисунок 3.5 – Распределения кавитационных зон в гетерогенной среде с начальной вязкостью жидкой фазы 1000 мПас (показатель консистенции K = 1 Па·сN+1, N = –0,15) для различных интенсивностей УЗ колебаний (r – расстояние от акустической оси, z – протяжённость кавитационной зоны) Как следует из представленных рисунков, для достижения протяжённости зоны развитой кавитации 4 см в эпоксидной смоле требуются значительно более высокие интенсивности воздействия (до 60 Вт/см2), чем для масла.

Распределения кавитационных зон, приведённые на рисунке 3.5 были получены для начального момента времени, когда вязкость эпоксидной смолы при нулевой скорости сдвига составляет 1000 мПас. Однако как было показано в предыдущем разделе, реологические свойства неньютоновских жидкостей изменяются с течением времени обработки. Это приводит к изменению размеров кавитационных зон, как показано на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6 – Распределение кавитационных зон в псевдопластической среде (показатель консистенции 1 ПасN+1, показатель нелинейности N = -0,15, начальная вязкость 1000 мПас) в различные моменты времени при постоянной интенсивности воздействия 20 Вт/см2(r – расстояние от акустической оси, z – протяжённость кавитационной зоны) Как следует из представленного рисунка, для псевдопластических жидкостей происходит постепенное увеличение размеров кавитационной зоны с течением времени, это обусловлено снижением вязкости жидкости за счёт релаксации. Поскольку, согласно рисунку 3.6 начиная с 20-й секунды размер зоны вырожденной кавитации становится сопоставимым с диаметром излучателя, а увеличение размера зоны развитой кавитации прекращается, необходимо уменьшать интенсивность воздействия во избежание снижения КПД УЗ технологического аппарата.

На рисунке 3.7 приведены распределения кавитационных зон для дилатантной среде в различные моменты времени.

Рисунок 3.7 – Распределение кавитационных зон в дилатантной среде (показатель консистенции 0,1 ПасN+1, показатель нелинейности N = 0,1, начальная вязкость – 0,1 Пас) в различные моменты времени при постоянной интенсивности воздействия 10 Вт/см (r – расстояние от акустической оси, z – протяжённость кавитационной Согласно рисунку 3.7 для дилатантных жидкостей при начальном образовании зон вырожденной кавитации (рисунок 3.7а) происходит постепенное уменьшение их объёма (рисунок 3.7б), это обусловлено возрастанием вязкости среде с течением времени. Возрастание вязкости приводит к тому, что со временем начинает уменьшаться и объём зон развитой кавитации (рисунок 3.7в), поэтому интенсивность воздействия в дальнейшем необходимо увеличивать, либо осуществлять перемешивание обрабатываемой среды.

На рисунке 3.8 приведены зависимости объёма зоны развитой кавитации от времени для псевдопластической (рисунок 3.8а) и дилатантной (рисунок 3.8б) среды, соответственно.

а) для псевдопластической среды (а) б) дилатантной среды (б) (показатель консистенции 1 ПасN+1, (показатель консистенции показатель нелинейности N = -0,1, начальная вязкость 1 Пас) при нелинейности N = 0,1, начальная Рисунок 3.8 – Зависимости объёма зоны развитой кавитации от времени Поскольку размеры кавитационной области ограничены, а увеличение интенсивности воздействия не приводит к их возрастанию (в ряде случаев наблюдается даже уменьшение размера кавитационной области, из-за появления зоны вырожденной кавитации), то необходимо создавать условия для оптимального распределения УЗ давления, например путем создания рабочих объёмов с отражающими поверхностями (рисунок 3.9).

Рисунок 3.9 – Распределения кавитационных зон в ограниченном объёме при различных интенсивностях УЗ воздействия (линейно-вязкая среда (r – расстояние от акустической оси, z – протяжённость кавитационной Как следует из представленного рисунка, кавитационная зона при наличии отражающей стенки увеличивается на расстояние, большее чем на 0,5 см, и значительно увеличивается по ширине (в 1,2…1,3 раза), что свидетельствует о возможности увеличения единовременно обрабатываемого технологического объёма в 1,3…1,4 раза.

Установлено, что уже при интенсивности 5 Вт/см2 объём зоны развитой кавитации при наличии отражающей границы достигает 0,055 л, в то время как в неограниченном объёме размер зоны развитой кавитации ничтожно мал (не более 0,005 л).

На следующем рисунке 3.10 приведена зависимость объёма зоны развитой кавитации от расстояния между излучателем и отражающей поверхностью для интенсивности воздействия 11,25 Вт/см2, начиная с которой увеличение объёма зоны развитой кавитации в неограниченном объёме обрабатываемой среды практически не происходит.

Рисунок 3.10 – Зависимость объёма зоны развитой кавитации от расстояния между излучателем и отражающей поверхностью Представленная зависимость (рисунок 3.10) свидетельствует о наличии оптимального расстояния между излучателем и отражающей поверхностью, которое для жидкости с вязкостью 100 мПа·с составляет 100 мм.

расстояния между излучающей поверхностью и отражающей границей, при котором объём зоны развитой кавитации максимален, от показателей, характеризующих реологические свойства сред использовании оптимальной интенсивности).

Рисунок 3.11 – Зависимость оптимального расстояния между излучающей поверхностью и отражающей границей в оптимальном объёме от вязкости Рисунок 3.12 – Зависимость оптимального расстояния между излучающей поверхностью и отражающей границей в оптимальном объёме от показателя консистенции при различных показателях нелинейности для нелинейновязких сред На следующих рисунках 3.13-3.15 приведены зависимости объёма зоны развитой кавитации от показателей, характеризующих реологические свойства жидкости, как при отсутствии, так при наличии отражающей поверхности на оптимальном расстоянии от излучателя, различном для каждой конкретной среды (рисунки 3.11-3.12).

Рисунок 3.13 – Зависимости объёма зоны развитой кавитации от начальной вязкости для линейно-вязких сред при отсутствии отражающей поверхности Рисунок 3.14 – Зависимости объёма зоны развитой кавитации (при наличии и отсутствии отражающей границы) от показателя консистенции K для дилатантных сред при различных показателях нелинейности N Рисунок 3.15 – Зависимости объёма зоны развитой кавитации (при наличии и отсутствии отражающей границы) от показателя консистенции K для псевдопластических сред при различных показателях нелинейности N Как следует из представленных зависимостей, с ростом показателей, характеризующих реологические свойства сред (начальная вязкость или показатель консистенции) объём зоны развитой кавитации при оптимальном расстоянии между излучателем и отражающей поверхностью увеличивается значительнее (по сравнению со случаем отсутствия отражающих границ), чем для маловязких сред.

Это обуславливает необходимость оптимизации условий УЗ воздействия, главным образом, для высоковязких сред.

Однако весь полезный обрабатываемый объём (в котором присутствует развитая кавитация) заключен между излучателем (рабочим органом) и отражающей поверхностью. В частности, для поршневых излучателей [8], этот объём не превышает 0,08 л (рисунки 3.13-3.15). Такое значение объёма свидетельствует о недостаточной эффективности поршневых рабочих инструментов для промышленного использования.

Поэтому для увеличения суммарного объёма зоны развитой кавитации необходимы излучатели с развитой поверхностью излучения [35, 111, 112].

кавитационной области при использовании многозонных рабочих инструментов Наиболее совершенной на сегодняшний день является конструкция многозонного излучателя, разработанная в лаборатории акустических процессов и аппаратов Бийского технологического института [35], и превышает 15%) на площади 250 см2 (более чем в 15 раз большей площади излучения поршневого рабочего органа), со средней интенсивностью 25 Вт/см2. Эскиз используемого излучателя представлен на рисунке 3.16.

Рисунок 3.16 – Эскиз многозонного ультразвукового излучателя технологических объемов взята конструкция технологической камеры проточного реактора, представляющей собой металлическую цилиндрическую полость постоянного диаметра. В технологической камере, как показано на рисунке 3.17, расположен многозонный рабочий инструмент ступенчато-переменного диаметра (70x45 мм) с увеличенной поверхностью излучения. Проток гетерогенной среды с жидкой фазой в данной технологической камере осуществляется вдоль излучателя.

Рисунок 3.17 – Простой цилиндрический технологический объём с установленным излучателем (D – внешний диаметр технологического Весь дальнейший поиск конструктивных схем будет осуществляться с использованием конечно-элементного моделирования в среде COMSOL Multiphysics на примере жидкости, имеющей показатель консистенции 0,2 Па·сN+1 и показатель нелинейности 0,15, при заданной геометрии ультразвукового излучателя (рисунок 3.16) и варьировании геометрических параметров технологической камеры, принятых в качестве независимых, с целью максимизации полезного объёма кавитационной зоны.

Для простого цилиндра единственным независимым параметром является D – внешний диаметр цилиндрической камеры. Изменение данного параметра влияет на условия распространения ультразвуковых колебаний за счёт создания стоячих волн между поверхностью многозонного излучателя и стенками цилиндра, и, следовательно, обеспечит возможность увеличения общего объёма зон развитой кавитации.

Согласно ранее полученным зависимостям, представленным на рисунке 3.14, наибольший объём зон развитой кавитации достигается при расстоянии между излучателем и отражающей поверхностью, равном L = 71 мм для модельной среды. Поэтому внешний диаметр простого цилиндра должен быть равен D = D2 + 2·L = 212 мм, где D2 – наибольший диаметр рабочего инструмента ступенчато-переменной формы.

Распределение зон развитой кавитации в цилиндрическом объёме приведено на рисунке 3.18.

Рисунок 3.18 – Распределение кавитационных зон в технологической камере, При данном диаметре цилиндра достигается объём формируемых зон развитой кавитации 3,92 л, в то время как при использовании рабочих инструментов поршневого типа объём кавитационной зоны не превышает 0,08 л при неизменной интенсивности воздействия. Это говорит о целесообразности использования многозонных рабочих инструментов [3, 35] для УЗ кавитационной обработки гетерогенных сред с высоковязкой и неньютоновской жидкой фазой.

Поскольку полный объём цилиндра составляет 12,61 л, а доля полезного объёма не превышает 35%, это свидетельствует о крайне низкой степени однородности УЗ кавитационной обработки в простом цилиндре даже при использовании многозонного рабочего инструмента, обеспечивающего более чем 5-кратное [35] повышение КПД УЗ инструментом.

Поэтому, для увеличения совокупного объёма зоны развитой кавитации в патенте [112] предложено параллельно рабочему инструменту устанавливать отражающие выступы, имеющие форму трапеции, как показано на рисунке 3.19.

Рисунок 3.19 – Схема распространения УЗ колебаний в технологической (Н – высота отражающих выступов, d – расстояние между выступами) Исходя из представленной схемы распространения колебаний для того, чтобы вторично отражённая УЗ волна 2 была направлена параллельно стенке технологического объёма с целью достижения резонансного усиления УЗ колебания, угол должен быть равен /4, т.е. 12,5°, поскольку для данного излучателя угол в зонах переходов многозонного рабочего инструмента равен 50°.

Поэтому необходимо оптимизировать 2 фактора, d, расстояние между выступами и H – высота выступа. Для оптимизации параметров d, H используется метод градиентного спуска, позволяющий найти точку спуска состоит из следующих шагов:

1. На первом этапе осуществляется выбор начальных значений параметров, d, H, (например d = 50 мм, H = 50 мм) критерия остановки = 0,001 л/мм, величины шага градиента = 0,05 мм2/л.

2. Далее производится вычисление распределения амплитуды звукового давления P(x) для текущих значений параметров d, H.

3. Вычисляется значение функции объёма зоны развитой кавитации (м3) звукового давления, Па, при заданных параметрах d (м), H (м).

4. Вычисляются функции объёма зоны развитой кавитации в зависимости распределения звукового давления где = 0,5 мм.

5. Вычисляется модуль градиента функции V и сравнивается с требуемой точностью:

6. Параметры d и H изменяются следующим образом:

Абсолютный максимум объёма зон развитой кавитации достигается при d = 36 мм и H = 70 мм, т.е. когда отражающие выступы практически полностью перекрывают сечение потока жидкости.

Распределение кавитационных зон для данных значений d и H приведено на рисунке 3.20.

Рисунке 3.20– Распределения кавитационных зон технологической камере с На основании результатов результатам проведенных расчетов абсолютное значение объёма зон развитой кавитации в точке максимума (d = 36 мм, H = 70 мм) не превышает 3 л, что примерно на 25% меньше чем в простом цилнндре оптимального диаметра. В свою очередь доля полезного объёма не превышает 40%, что свидетельствует о крайне низкой эффективности данной конструкции. Таким образом, установка дополнительных отражателей существенного повышения эффективности не обеспечит, поскольку отражающие выступы трапецеидальной формы, предусмотренные в рассматриваемой конструкции, занимают до 30% полного объёма обрабатываемой жидкости.

Поэтому необходимо рассмотреть другие способы формирования отражающих поверхностей при совершенствовании конструкций проточных технологических камер для УЗ кавитационной обработки жидкостей.

Чтобы исключить уменьшение полного объёма обрабатываемой жидкости рассмотрена возможность замены каждого трапецевидного отражателей (рисунок 3.21), располагаемых в плоскостях боковых поверхностей трапецеевидных отражателей из предыдущей конструкции.

Использование тонких пластинчатых отражателей (толщиной не более 3 мм) [102, 103] конусообразной формы практически не уменьшает полный объем обрабатываемой жидкости по сравнению с простым цилиндром (рисунок 3.17), абсолютного значения полезного объёма, не достигнутого в предыдущей конструкции. Кроме того, использование тонких пластинчатых отражвтелей позволяет снизить металлоёмкость конструкции проточного реактора.

Конструкция технологической камеры, содержащей такие отражатели, приведена на рисунке 3.20.

Рисунок 3.21 – Конструкция технологической камеры с конусообразными тонкими пластинами в качестве отражателей (продольный разрез) Согласно представленной конструкции технологической камеры угол конусообразных отражателей должен быть равен /4, по аналогии с технологической камерой с трапецеидальными отражателями, чтобы обеспечить максимальное усиление амплитуды звукового давления ( – угол наклона излучающих поверхностей в зонах переходов рабочего инструмента, см. рисунок 3.19). Поэтому необходимо оптимизировать 2 фактора расстояние между пластинами d и высоту пластин H.

По аналогии с конструкцией, основанной на трапецеидальных отражателях, оптимизация параметров d и H производится методом градиентного спуска.

Результаты оптимизации показали что наибольший объём зон развитой кавитации достигается при d = 59 мм, H = 60 мм, что незначительно отличается от параметров d и H (расстояние между выступами и высота выступов) для конструкции с трапецеидальными отражателями.

На следующем рисунке 3.22 приведены распределения кавитационных зон в оптимальном технологическом объёме с тонкими пластинчатыми отражателями конусообразной формы.

Как следует из представленного рисунка, тонкие пластинчатые отражатели приводят к значительному увеличению суммарного объёма зон развитой кавитации и, следовательно, к значительно более равномерной обработке жидкости.

При вычисленных оптимальных геометрических параметрах d и H полезный объём составляет около 5,8 л, в то время как при отсутсвии отражающих пластин он не превышал 4 л (в простом цилиндре), что свидетельствует о возможности повышения эффективности обработки до 46% в реакторах проточного типа.

Рисунок 3.22 – Распределения кавитационных зон в технологической камере Повышение эффективности УЗ кавитационной обработки жидких сред при увеличении полезного объёма обуславливается тем, что оптимизация геометрических параметров, характеризующих высоту отражающих пластин и расстояние между ними, позволит создать на 46% больше мощности ударных волн, которые являются движущим фактором технологических процессов в жидких средах под воздействием УЗ колебаний.

оборудования, поскольку амплитуда колебаний излучающей поверхности остаётся неизменной.

Необходимо отметить, что по сравнению с простым цилиндром произвольного диаметра, отличающегося от оптимального, комплексная оптимизация диаметра цилиндра, размера и расположения пластин даёт возможность увеличить размер кавитационной зоны, и следовательно, мощность ударных волн не менее, чем в 2…3 раза.

Тем не менее, недостатком последней конструкции является увеличенное гидравлическое сопротивление (до 8 раз) по сравнению с простым цилиндрическим объёмом при протоке жидкости вдоль излучателя, реализованном в реакторах проточного типа в лаборатории акустических процессов и аппаратов Бийского технологического института [3].

Поэтому такая конструкция является пригодной для обработки жидкостей с вязкостью не более 200 мПа·с, которые обладают необходимой для данной конструкции текучестью. Поскольку в процессе обработки возможно снижение вязкости жидкости до 2-х крат и более, это обеспечит пропорциональное снижение гидравлического сопротивления проточного реактора при обработке гетерогенных сред с жидкой фазой вязкостью до 200 мПа·с.

Однако при обработке гетерогенных сред с высоковязкими жидкими фазами (с вязкостью свыше 200 мПа·с) возможно образование зон застоя среды (отсутствия протока) в промежутках между пластинами. Это приводит к недопустимым значениям дисперсии времени пребывания (более 50% от среднего времени пребывания) частиц среды в проточном аппарате.

С целью снижения гидравлического сопротивления на порядок и уменьшения дисперсии времени пребывания предложена модификация конструкции проточного реактора с отражающими пластинами, в которой реализуется проток жидкости перпендикулярно оси симметрии излучателя (рисунок 3.23). Такая конструкция является многокаскадной, т.е. состоящей из нескольких последовательно соединённых технологических объёмов с установленными УЗ излучателями.

Сечения входного и выходного канала в такой конструкции имеют прямоугольную форму с размерами 35x400 мм (рисунок 3.23). Поэтому, для достижения производительности 4500 тыс. тонн в год при использовании аппаратов [35] с технологическими объёмами, работающими параллельно, требуемая скорость протока не превышает 1,2 мм/с. Поэтому гидравлическое сопротивление такой конструкции будет достаточно мало (не более 50 Па, за счет малой скорости протока вязкой среды) даже при обработке среды с вязкостью 1…5 Па·с. Это делает конструкцию применимой для промышленного использования. Среднее время пребывания жидкости в отдельном каскаде конструкции составит 10 мин при доле полезного объёма (объёма зон развитой кавитации), составляющей 60%.

Рисунок 3.23 – Эскиз конструкции технологической камеры с протоком обрабатываемой среды, перпендикулярным оси симметрии рабочего Как следует из проведённого ранее анализа, обеспечиваемого времени пребывания 10 мин (в отдельном каскаде) достаточно для реализации широкого спектра технологических процессов в высоковязких и неньютоновских средах под воздействием ультразвуковых колебаний, в частности, деполимеризации эпоксидных смол при снижении вязкости до крат и более[2,35].

приведена на рисунке 3.24.

Рисунок 3.24 – 3D-модель многокаскадного проточного реактора кавитационной области позволила исследовать влияния условий технологической камеры) на совокупный объём, занимаемый зоной наиболее эффективного кавитационного воздействия, который определяет производительность обработки.

Анализ верхнего уровня детализации феноменологической модели позволил:

– установить оптимальные расстояния между отражающей границей и излучателем, обеспечивающие увеличение объёма зоны развитой кавитации не менее чем на 50%; показано, что оптимальные расстояния находятся в диапазоне от 50 до 125 см, и уменьшаются при увеличении вязкости обрабатываемой среды;

установить, что наиболее эффективной конструкцией технологической камеры является проточная технологическая камера с кольцевыми пластинчатыми отражателями, позволяющая увеличить объём зоны развитой кавитации до 3-х раз.

Дальнейшие исследования направлены на подтверждение полученных результатов результатами экспериментальных исследований.

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ

ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ

КАВИТАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ ЗА СЧЁТ ОПТИМИЗАЦИИ

РЕЖИМОВ И УСЛОВИЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ

И СОЗДАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ АППАРАТОВ

Для подтверждения результатов теоретических исследований и выявления оптимальных условий УЗ воздействия, обеспечивающих максимальную эффективность технологических процессов в гетерогенных средах с жидкой фазой, был проведён ряд экспериментов, заключавшихся в:

подтверждении возможности увеличения объёма зоны развитой кавитации и удельной мощности кавитационного воздействия за счёт использования отражающей границы (стенки технологического объема);

определении оптимального расстояния между излучающей поверхностью и отражающей границей, при котором удельная мощность кавитационного воздействия будет максимальной;

подтверждении возможности повышения эффективности технологических процессов протекающих под воздействием ультразвуковых колебаний при использовании разработанных технологических камер с тонкими пластинчатыми отражателями.

Разработанный экспериментальный стенд и полученные результаты представлены далее.

4.1 Экспериментальный стенд для выявления оптимальных условий реализации процесса ультразвуковой кавитационной обработки Подтверждение возможности увеличения объёма зоны развитой кавитации, за счет применения отражающих границ производилось путем определения размера области кавитационной эрозии металлической фольги, погружённой в жидкость, находящуюся под воздействием УЗ колебаний. При этом металлическая фольга располагалась на акустической оси излучателя.

Для выявления удельной мощности кавитационного воздействия использовался калориметрический метод, заключающийся в косвенном определении количества теплоты, переданной жидкости в результате схлопывания пузырьков, на основании разности её температуры до и после УЗ воздействия.

Поэтому экспериментальный стенд включал в себя следующее оборудование:

ультразвуковой технологический аппарат серии «Волна-М»

мощностью 1000 ВА (рисунок 4.1) излучателем поршневого типа диаметром 40 мм;

термометр водный ТК–110 типа «Pentype», имеющий диапазон измерения температур от –10 до +110 C;

алюминиевые экраны толщиной 9 мкм (алюминиевая фольга);

штатив с линейкой для установления и поддержания необходимого расстояния между излучающей поверхностью и отражающей стенкой (дном технологического объёма);

технологический объём, представляющий собой полый цилиндр, имеющий диаметр 200 мм и высоту 300 мм.

аналитические весы MW–II для выявления объёма обрабатываемой жидкости при известной её плотности.

Фотографии оборудования для проведения экспериментальных исследований представлены на рисунке 4.1.

а) ультразвуковой технологический б) аналитические весы MW-II аппарат «Волна-М»

в) водный термометр г) экспериментальный стенд для выявления TK–110 типа зависимости энергии ударных волн и объёма зон Рисунок 4.1 – Оборудование для проведения экспериментальных Для выявления оптимальных условий воздействия проводились серии экспериментов при различных расстояниях между излучающей поверхностью и отражающей границей, представляющей собой дно цилиндрического технологического объёма. Это расстояние для каждого эксперимента фиксируется с помощью штатива (рисунок 4.1д). Полученные результаты описаны в следующих подразделах.

4.2 Определение зависимости объёма зоны развитой кавитации от режимов и условий воздействия В настоящее время известен ряд методов измерений макроскопических характеристик пузырьковой жидкой среды. Эти методы, как правило, направлены на выявление объёмного содержания пузырьков или совокупной энергии ударных волн, формируемых при схлопывании пузырьков.

Например, метод, основанный на измерении диэлектрической проницаемости пузырьковой среды, и дальнейшем определении объёмного содержания пузырьков на основании полученного значения проницаемости, применим только для жидкости, пузырьки которой находятся в состоянии равновесия. Данный метод непригоден для жидкости с кавитационными пузырьками, поскольку наличие нескомпенсированных поверхностных зарядов вблизи стенок пузырьков приводит к тому, что напряжённость электрического поля в окрестности отдельного пузырька может достигать 109 В/м [110]. При такой напряжённости поля, как правило, происходит диэлектрический пробой жидкости, и существенно изменяется эффективная диэлектрическая проницаемость кавитирующей среды. Это приводит к значительным ошибкам при определении объёмного содержания пузырьков.

Акустический метод определения объёмного содержания пузырьков, основанный на измерении коэффициента поглощения УЗ волны в среде на разных частотах, для кавитирующей жидкости также является непригодным [6]. Это вызвано тем, что ударные волны, образуемые при схлопывании пузырьков, и представляющие собой фактически дельта-функции, имеют широкий спектр, тем самым внося огромный вклад в погрешность результатов измерений.

Кроме того, для измерения макроскопических характеристик кавитирующей жидкости, являются непригодными и существующие оптические методы [71, 110]. Это обусловлено явлениями отражения и преломления лазерного луча вблизи стенок пузырьков при прохождении луча через всю область обрабатываемой жидкости. Поэтому существующие оптические методы не позволяют найти распределение объёмного содержания пузырьков или мощности кавитационных ударных волн в область обрабатываемой жидкости. В настоящее время оптические методы используются, как правило, для определения мгновенного радиуса одиночного пузырька, создаваемого в определённой точке жидкости. При этом в остальной области жидкость остаётся близкой к сплошной, чтобы исключить явления отражения и преломления.

макроскопических характеристик кавитационной области является оценка эрозионной активности кавитационных пузырьков. Этот метод был предложен американским учёным Кнэппом ещё в сороковых годах прошлого столетия. Согласно данному методу оценка эрозионной активности производится при помощи тонкой оловянной или алюминиевой фольги [113, 114]. При взаимодействии пузырька с фольгой вследствие схлопывания последнего в фольге образуются отверстия или заметные углубления – воронки. Эта методика позволяет в достаточной степени объективно оценивать распределение зон, в которых кавитационные пузырьки схлопываются наиболее интенсивно (зон развитой кавитации), поскольку рядом исследователей показано, что ударные волны (образуемые обуславливающим разрушение фольги. При этом химическое действие при кавитации, а также образующиеся электрические разряды на процесс разрушения фольги оказывают слабое влияние. Кроме того, разрушение фольги происходит при превышении мощностью кавитационного ударных волн фиксированного порогового значения. Эта особенность пузырьков в жидкости широко используется в различных научных и инженернотехнологических целях [113].

В проведённых экспериментальных исследованиях первоначально выявлялись распределения зон развитой кавитации для различных интенсивностей УЗ воздействия, когда отражающая граница (дно технологического объёма) находится на большом расстоянии от излучателя (не менее 200 мм) по сравнению с его диаметром. Выбор такого положения отражающей границы необходим для создания условий воздействия, соответствующих случаю неограниченного объёма, из-за дифракционного расхождения УЗ волн в жидкости.

Полученные распределения зон развитой кавитации с помощью экрана из алюминиевой фольги для случая неограниченного объёма при различных интенсивностях приведены на рисунке 4.2.

Во всех экспериментах экран из фольги был расположен в плоскости симметрии рабочего излучающего инструмента (обрабатываемая жидкость – масло, используемый УЗ излучатель – пьезоэлектрический поршневого типа диаметром 40 мм, время УЗ воздействия – 2 мин).

Рисунок 4.2 – Распределения зон развитой кавитации при различных интенсивностях воздействия (обрабатываемая жидкость – масло, время УЗ Как видно из представленных фото (рисунок 4.2), с ростом интенсивности воздействия происходит увеличение продольных и поперечных размеров сечения зоны развитой кавитации в плоскости симметрии УЗ излучателя. Это свидетельствует об увеличении объёма зоны развитой кавитации с ростом интенсивности, что подтверждает результаты теоретических исследований.

Далее с помощью наложения каждого экрана алюминиевой фольги после УЗ воздействия на лист миллиметровой бумаги определялось численное значение доли объёма, занимаемого зоной развитой кавитации, от полного объёма обрабатываемой жидкости.

При определении доли объёма зоны развитой кавитации принималось допущение об осевой симметричности зоны, поскольку такой симметрией обладают рабочий инструмент и технологический объём, использованный в экспериментальных исследованиях.

При этом предполагалось, что ось симметрии зоны развитой кавитации совпадает с осью симметрии рабочего инструмента.

Доля объёма, занимаемого зоной развитой кавитацией, вычислялась согласно следующему выражению:

где H – безразмерное натуральное число, равное значению протяжённости зоны кавитационного разрушения в 10-3 м вдоль оси симметрии, округлённому до целых; rli и rri – расстояния (м) от оси излучателя до ближайших точек, не подвергнутых кавитационному разрушению, слева и справа соответственно, V – полный объём обрабатываемой жидкости, м3, – доля объёма, занимаемого зоной развитой кавитации, %.

Расстояния rli и rri определяются на прямых, перпендикулярных оси симметрии излучателя и расположенных в плоскости экрана алюминиевой фольги. Для каждого i расстояние от излучающей поверхности до прямой, на которой вычисляются rli и rri, равно i мм.

Экспериментальная зависимость доли объёма зоны развитой кавитации от интенсивности воздействия приведена на рисунке 4.3 (обрабатываемая жидкость – масло, УЗ излучатель поршневого типа диаметром 40 мм).

Рисунок 4.3 – Зависимость доли объёма зоны развитой кавитации Значения долей объёмов развитой кавитации, полученные как в результате проведения экспериментов, так и путём моделирования при интенсивностях воздействия, использованных в экспериментальных исследованиях, приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 – Значения долей объёма зон развитой кавитации, полученные теоретически и экспериментально в зависимости от интенсивности УЗ воздействия Интенсивность значение доли объёма значение доли объёма воздействия, Вт/см2 зоны развитой зоны развитой Как следует из представленной таблицы 4.1, погрешность между результатами теоретических и экспериментальных исследований не превышает 20%.

Существование погрешности между результатами теоретических и экспериментальных исследований вызвано тем, что реальный коэффициент поглощения УЗ в жидкой среде превышает расчётное значение, что приводит к большим расчётным значениям объёмов зон развитой кавитации по сравнению с экспериментальными. Превышение реального коэффициента поглощения над его теоретическим значением может быть обусловлено тем, что действительное объёмное содержание пузырьков (до 0,14 и более согласно экспериментальным данным для воды, приведённым в монографии Л.Д.Розенберга [6]) оказывается больше расчётного, которое не превышает 0,12 (см. рисунки 2.10б; 2.11в, г; 2.12в, г).

растворённого в жидкости газа в кавитационную полость, не учитываемая в разработанной модели.

Как и полученные в третьем разделе результаты теоретических исследований, данные экспериментов свидетельствуют об ограниченности объёма зоны развитой кавитации при отсутствии отражающих границ. Это подтверждает исчерпанность подхода к повышению эффективности кавитационной обработки высоковязких сред, основанного на увеличении интенсивности воздействия.

Поэтому дальнейшие экспериментальные исследования были направлены на подтверждение возможности увеличения доли объёма зоны развитой кавитации (и, следовательно, повышения однородности УЗ обработки) путём выбора оптимального расстояния от излучающей поверхности до отражающей границы.

Для этого были проведены исследования кавитационной эрозии экрана алюминиевой фольги при различном расстоянии между излучателем и отражающей границей.

Фотографии экранов фольги после кавитационной эрозии приведены на следующем рисунке 4.4 при различных расстояниях между излучателем и отражающей поверхностью (интенсивность воздействия – 10 Вт/см2, обрабатываемая жидкость – масло):

Рисунок 4.4 – Распределения зон развитой кавитации при различных расстояниях между излучателем и отражающей границей Зависимости долей объёмов зон развитой кавитации от расстояния между излучателем и отражающей границей для различных по реологическим свойствам жидкостей приведена на рисунке 4.5.

а) вода (интенсивность воздействия б) масло (интенсивность в) эпоксидная смола ЭД-5 (интенсивность воздействия 25 Вт/см2) Рисунок 4.5 – Зависимости доли объёма зоны развитой кавитации от расстояния между излучателем и отражающей границей для различных Полученные результаты подтверждают возможность увеличения доли объёма зоны развитой кавитации, и, следовательно, степени однородности УЗ обработки, до 1,5 крат (например, для эпоксидной смолы ЭД-5, обладающей начальной вязкостью не менее 0,8 Па·с) путём оптимизации расстояния между излучателем и отражающей границей при неизменной интенсивности воздействия.

При этом наибольший эффект от оптимизации положения отражающей границы достигается в жидкостях значительной вязкости (не менее 100 мПа·с, т.е. в масле, эпоксидной смоле и т. д.), в то время как в воде доля объёма зоны развитой кавитации увеличивается за счёт оптимизации всего отражающей поверхностью при проектировании технологических объёмов, в первую очередь, для обработки высоковязких и неньютоновских жидкостей.

Кроме того, учитывая данные, приведенные в таблице 4.1, оптимизация использовать интенсивности УЗ воздействия (на границе излучатель– обрабатываемая среда) в 2 раза меньшие при одновременном увеличении доли объёма зоны развитой кавитации более чем в 1,3 раза. Например, при интенсивности воздействия 7,5 Вт/см2 и расстоянии между излучателем и отражающей границей 90 мм доля объёма зоны развитой кавитации составляет 8% от полного объёма обрабатываемой жидкости, а при интенсивности воздействия 15 Вт/см2 в случае отсутствия отражающей границы доля объёма зоны развитой кавитации не превышает 6% (см.

таблицу 4.1).

Таким образом, полученные результаты показывают, что оптимизация условий распространения колебаний позволяет решить проблему ограниченности прочности волноводов-излучателей за счёт возможности использования меньших интенсивностей воздействия при одновременном повышении эффективности кавитационной обработки.

В то же время следует отметить, что поскольку доля объёма зоны развитой кавитации, создаваемая излучателями поршневого типа, не превышает 13% (даже при оптимальных условиях воздействия), то полученные экспериментальные результаты ещё раз подтверждают необходимость использования многозонных рабочих инструментов для УЗ кавитационной обработки гетерогенных систем с несущей высоковязкой и неньютоновской жидкой фазой. Многозонные рабочие инструменты устанавливаются в технологический объём цилиндрической формы, через который осуществляется проток обрабатываемой гетерогенной среды с жидкой фазой. Как было показано в разделе 3, при использовании многозонных рабочих инструментов с разработанными технологическими объёмами, содержащими кольцевые отражатели, теоретическое значение доли объёма области развитой кавитации может достигать 46%. Такое значение свидетельствует о высокой степени однородности УЗ обработки и является приемлемым для реальных процессов химической технологии.

Однако экспериментальное подтверждение данных теоретических результатов с помощью прямого метода оценки эрозионной активности кавитационной области, позволяющего определить численное значение объёма зоны развитой кавитации, является невозможным. Это обуславливается невозможностью прямого погружения алюминиевой фольги в технологический объём проточного типа, содержащий многозонный излучатель. Следовательно, необходим косвенный метод оценки доли объёма, занимаемого зоной развитой кавитации, применимый к проточным технологическим камерам, например, с помощью определения удельной мощности кавитационного воздействия.

Поэтому на следующем этапе экспериментальных исследований проводилось выявление зависимости удельной мощности кавитационного воздействия от условий распространения колебаний для различных жидкостей.

4.3 Определение зависимости удельной мощности кавитационного воздействия от условий распространения ультразвуковых колебаний Для оценки удельной мощности кавитационного воздействия был использован калориметрический метод, который позволяет определить тепло, полученное жидкостью при схлопывании кавитационных пузырьков.

кавитационных ударных волн, которая, как было отмечено в разделе 2, является основным фактором, определяющим эффективность ультразвуковой кавитационной обработки. Максимум теплоты, переданной жидкости при постоянном времени экспозиции, соответствует максимуму удельной мощности кавитационного воздействия [35]. Поэтому в дальнейшем вместо «удельной мощности кавитационных ударных волн» будет употребляться термин «удельная тепловая мощность кавитации».

Удельная тепловая мощность кавитации определяется согласно следующему выражению:

где W – удельная тепловая мощность кавитации, Вт/м3 m – масса обрабатываемой жидкости, кг, c – удельная теплоёмкость жидкости, Дж/(кг·К), t1 – температура жидкости до УЗ воздействия, t2 – температура жидкости после УЗ воздействия в течение заданного времени экспозиции ( мин для данных экспериментальных исследований), V – полный объём обрабатываемой жидкости, м3, T – время экспозиции, с.

Зависимости удельной тепловой мощности кавитации от расстояния между излучателем и отражающей границей приведены на рисунке 4.6 для различных жидкостей.

а) вода (вязкость 1 мПа·с) б) масло (вязкость 200 мПа·с) в) эпоксидная смола ЭД–5 (начальная вязкость 520 мПа·с, показатель консистенции K=3,9 Па·сN+1, показатель нелинейности N=-0,15) Рисунок 4.6 – Зависимости удельной тепловой мощности кавитации от расстояния между излучателем и отражающей границей (время УЗ Полученные значения удельной тепловой мощности кавитации и объёма зоны развитой кавитации для различных расстояний между излучающей поверхностью и отражающей границей и для различных жидкостей приведены в сводной таблице 4.3.

Таблица 4.3 –Значения долей объёма зоны развитой кавитации и удельной тепловой мощности кавитации при УЗ кавитационном воздействии, при различных расстояниях между излучателем и отражающей границей Расстояние между Доля объёма зоны Удельная тепловая излучателем развитой кавитации, % мощность кавитации, и отражающей границей, Как следует из результатов, приведённых в таблице 4.3 и на рисунке 4.6, оптимизация положения отражающей границы позволяет наряду с объёмом зоны развитой кавитации увеличить удельную тепловую кавитационных ударных волн, которые являются основным движущим фактором технологических процессов, до 52 %.

Сравнительный анализ значений, приведённых в таблице 4.3 для доли объёма зоны развитой кавитации и удельной тепловой мощности кавитации, переданной жидкости, позволяет установить, что абсциссы точек экстремума (локального максимума или минимума) удельной тепловой мощности кавитации полностью совпадают с положениями экстремумов долей объёма зон развитой кавитации.

эффективность УЗ воздействия и долю объёма, занимаемой зоной развитой кавитации, в технологической камере произвольной геометрии калориметрическим методом. При этом калориметрический метод является непосредственного измерения объема зоны развитой кавитации при помощи алюминиевой фольги (например, в реактор проточного типа с многозонным излучателем).

Полученные значения оптимальных расстояний между излучающей максимальная доля объёма зоны развитой кавитации, для различных жидкостей приведены в таблице 4.4.

Таблица 4.4 – Теоретические и экспериментальные значения оптимального расстояния между излучающей поверхностью и отражающей границей Масло подсолнечное Эпоксидная смола ЭД– Превышение теоретически полученного оптимального расстояния между излучателем и отражающей границей над экспериментальным обусловлено более высокими значениями действительного коэффициента поглощения в жидкой среде по сравнению с теоретическими. Как было отмечено ранее, это вызвано тем, что в разработанной модели диффузия растворённого в жидкости газа в кавитационную полость не учитывается.

Однако, как следует из представленной таблицы 4.4, относительная погрешность оптимального расстояния между излучающей поверхностью и отражающей границей не превышает 18%. При этом для маловязких жидкостей, например, для воды погрешность не превышает 3%.

формирования кавитационной области жидких средах может считаться адекватной.

Практическим применением полученных результатов теоретических исследований и разработанных конструктивных схем технологических объёмов явилось создание специализированных ультразвуковых технологических аппаратов, описанных в следующем подразделе.

4.4 Практические конструкции ультразвуковых технологических аппаратов, реализующие выявленные оптимальные режимы и условия воздействия Представленные исследования и разработки позволили создать ультразвуковые проточные аппараты со специализированными технологическими объёмами для промышленной реализации кавитационной обработки высоковязких и неньютоновских жидких сред. Созданные аппараты представлены на рисунке 4.7.

Рисунок 4.7 – Ультразвуковые технологические аппараты серии «Булава» для кавитационной обработки высоковязких и неньютоновских жидких сред Созданное ультразвуковое оборудование для воздействия на высоковязкие жидкие среды содержит в своем составе ультразвуковую колебательную систему, преобразующую электрическую энергию в энергию высокоинтенсивных механических колебаний ультразвуковой частоты, электронный генератор, предназначенный для питания преобразователя, и технологический объём, предназначенный для проточной обработки жидкости в составе технологической линии.

Разработанный технологический объём, содержащий кольцевые отражатели, конструкция которого представлена в предыдущем разделе (см.

рисунки 3.20, 3.22), приведен на рисунке 4.8.

Рисунок 4.8 – Технологический объем для кавитационной обработки жидкостей с внутренними кольцевыми отражателями Как было отмечено ранее, технологический объём может быть в двух конструктивных исполнениях:

–с параллельной ультразвуковому излучателю подачей потока жидкости (см. рисунок 3.20);

– с перпендикулярной ультразвуковому излучателю подачей потока жидкости (см. рисунок 3.22).

Таким образом, созданные ультразвуковые технологические аппараты с технологическими объёмами являются законченными устройствами, готовыми для монтажа в технологические линии.

Далее представлены результаты экспериментальных исследований эффективности созданных аппаратов. Такие исследования проводились с целью сравнения эффективности данных аппаратов с ранее разработанными [35], в которых используются технологические объёмы в форме простого цилиндра неоптимального диаметра без внутренних отражателей.

4.4.1 Определение совокупной энергии кавитационной области, формируемой в разработанных технологическими объёмах аппаратов первоначально были направлены на определение удельной разработанных проточных технологических объёмах с кольцевыми использованием калометрического метода, поскольку, как уже говорилось, непосредственное погружение алюминиевой фольги в реактор проточного типа, содержащий кольцевые отражатели, с целью определения доли объёма формируемой зоны развитой кавитации является невозможным. Полученные результаты представлены на рисунке 4.7.

Рисунок 4.7 – Зависимости тепловой мощности кавитации в реакторах проточного типа, как с кольцевыми отражателями, так и без них (время УЗ установленный факт, что использование кольцевых пластинчатых дополнительное увеличение объёма зоны развитой кавитации не менее, чем на 40% для высоковязких жидкостей (не менее 500 мПа·с).

На рисунке 4.8 приведена зависимость удельной электрической мощности, потребляемой УЗ технологическим аппаратом, от вязкости обрабатываемой жидкости.

Рисунок 4.8 – Зависимость электрической потребляемой УЗ технологическим аппаратом на 1 м3 обрабатываемой жидкости Исходя из зависимостей, представленных на рисунках 4.7, 4.8 получена зависимость КПД УЗ технологического аппарата от вязкости жидкости как в объёме без отражателей, так и с отражателями.

Рисунок 4.9 – Зависимость КПД УЗ технологического аппарата при использовании технологических объёмов как с отражателями, Согласно представленной зависимости, использование разработанных технологических объёмов с кольцевыми отражателями позволяет существенно повысить КПД УЗ технологического оборудования.

В частности, с 42 до 61% для жидкости с вязкостью 800 мПа·с.

Поэтому можно предположить, что разработанные конструкции проточных реакторов, использованные в созданных аппаратах, являются значительно более эффективными по сравнению с существующими при реализации процессов химической технологии.

Исследование функциональных возможностей и эффективности разработанных ультразвуковых технологических аппаратов на примере реализации различных процессов химической технологии представлено в следующем подразделе.

4.5 Исследование функциональных возможностей и эффективности применения разработанных ультразвуковых технологических аппаратов при реализации различных процессов химической технологии 4.5.1 Ультразвуковое диспергирование суспензии катализатора для крекинга нефти Наиболее высокая эффективность процесса крекинга реализуется при одновременном воздействии на нефтяное сырьё высокой температуры и катализаторов.

Согласно ранее проведённым исследованиям, существенным образом эффективность (в частности, октановое число получаемого бензина) процесса крекинга определяет площадь поверхности катализатора, представляющего собой микросферы (размером не более 150 мкм) цеолитного компонента, нанесённого на алюмосиликатную матрицу.

Ультразвуковое кавитационное диспергирование позволяет не менее 1,5-кратно микроскопических ударных волн, тем самым, увеличив площадь поверхности катализатора не менее чем в 2 раза [35].

Технология ультразвукового диспергирования катализаторной суспензии в настоящее время реализована на Омском НПЗ (рисунок 4.10).

Однако в ходе выполнения диссертационной работы установка УЗ технологическими объёмами с кольцевыми отражателями (см. рисунок 3.20).

предназначенных для УЗ диспергирования суспензии катализатора, поток жидкости направлен вдоль излучателя, поскольку вязкость суспензии катализатора не превышает 200 мПа·с.

Рисунок 4.10 – Фото промышленной установки для УЗ диспергирования Технические характеристики данной УЗ установки приведены в таблице 4.5.

диспергирования суспензии катализатора крекинга нефти Питание от трехфазной сети переменного тока напряжением, В 380± На данной установке была экспериментально определена удельная площадь поверхности катализатора, диспергированного в результате воздействия УЗ колебаний, при использовании различных технологических объёмов (как с кольцевыми отражателями, так и без них). Удельная площадь поверхности определялась на основании диаметров частиц катализатора, выявленных путём отбора проб:

где S – удельная площадь поверхности катализатора, м2/кг, N – количество частиц катализатора, присутствующих в отобранной пробе, di – диаметр i-й частицы катализатора, м, – плотность цеолитного компонента, равная 2200 кг/м3.

Для определения диаметров частиц катализатора каждые 10 секунд УЗ воздействия производился отбор пробы катализаторной суспензии с помощью предметного стекла, входящего в комплектацию оптического микроскопа «МИКМЕД».

Далее измерялись линейные размеры частиц волластонита на основании фотографий отобранной пробы суспензии. Эти фотографии были получены с помощью оптического микроскопа «МИКМЕД» при 400-кратном увеличении.

Полученные зависимости удельной площади поверхности катализатора от времени УЗ воздействия приведены на рисунки 4.11 при использовании как разработанного технологического объёма с отражателями, так и технологического объёма без отражателей.

Рисунок 4.11 – Зависимость удельной площади поверхности катализатора от времени УЗ воздействия в технологических объёмах с отражателя Согласно представленной на рисунке 4.11 зависимости использование разработанных ультразвуковых аппаратов с разработанными автором технологическими объёмами, содержащими кольцевые отражатели, позволило увеличить площадь поверхности катализатора до 2200 м2/г, по сравнению с 1600 м2/г, достигнутой при использовании ранее разработанных в Бийском технологическом институте технологических объёмов без кольцевых отражателей. Указанные значения площади поверхности приведены для времени УЗ воздействия 40 с, соответствующем времени пребывания катализаторной суспензии в установке.

При этом сохранилась ранее достигнутая производительность УЗ диспергирования 4500 тонн в год.

4.5.2 Ультразвуковое диспергирование наноглин для производства полимерных композитов «Наноглина» (монтмориллонит) — это общепринятый термин для обозначения глинистого минерала с филлосиликатной или листовой структурой, толщина листов которой имеет порядок величины 1 нм, а линейные размеры поверхности составляют 50–150 нм [115]. Согласно ранее проведённым исследованиям [115] использование монтмориллонита придаёт значительное улучшение механических, тепловых и газобарьерных свойств при введении 2–5 % вес. монтмориллонита.

С целью дальнейшего (не менее чем 2-х кратного) улучшения физических свойств нанокомпозита технология ультразвукового диспергирования наноглин в полимерах реализована в настоящее время на предприятии ООО «Гален» (Чебоксары) (рисунок 4.12).

Рисунок 4.12 – Эскиз (а) и 3D-модель (б) УЗ установки для диспергирования Технические характеристики данной УЗ установки приведены в таблице 4.6.

диспергирования суспензии катализатора крекинга нефти Питание от трехфазной сети переменного тока напряжением, В 380± Диаметр рабочего инструмента (макс./мин.), мм 70/ Экспериментальные исследования, проведённые на данной установке (рисунок 4.12), показали, что УЗ диспергирование наноглин приводит к существенному повышению прочности получаемого нанокомпозита. Это обусловлено тем, что при УЗ кавитационном воздействии на исходную суспензию происходит распад наночастиц наполнителя (с исходным размером 50…150 нм) на более мелкие (10…20 нм). Указанные размеры наночастиц, получаемых в результате УЗ воздействия, были установлены с использованием сканирующего электронного микроскопа.

Как известно из литературных источников, уменьшение размеров частиц наполнителя приводит к снижению механических напряжений в полимерной матрице около этих частиц. Поэтому повышается пороговая нагрузка, при которой возникают крупные трещины в композиционном материале.

Это является основным влияющим фактором, обуславливающим повышение прочности нанокомпозита при УЗ кавитационном диспергировании монтмориллонита.